全 文 ：中国生态农业学报 2012年 3月 第 20卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Mar. 2012, 20(3): 330−336


* 国家自然科学基金重点项目(50709039)资助
** 通讯作者: 王凤新(1973—), 男, 副教授, 博士研究生, 主要从事农业水土工程方面的研究。E-mail: fxinwang@yahoo.cn
陶丽佳(1989—), 女, 硕士研究生, 主要从事覆膜滴灌对田间土壤温室气体排放的研究。E-mail: taolijia@gmail.com
收稿日期: 2011-07-21 接受日期: 2011-10-28
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00330
膜下滴灌对土壤 CO2与 CH4浓度的影响*
陶丽佳 王凤新** 顾小小
(中国农业大学中国农业水问题研究中心 北京 100083)
摘 要 在温室进行了马铃薯盆栽试验, 采用静态暗箱−气相色谱法比较了滴灌(D)和漫灌(F)两种不同灌溉制
度对土壤 CO2与 CH4浓度的影响。在每种灌溉制度下再分设覆膜(M)与不覆膜两种农艺措施处理。覆膜滴灌
(MD)下按土壤湿润比(P)不同, 再设 3个处理, 分别为 P1 (P=25%)、P2 (P=33%)、P3 (P=50%), 共 6个处理, 即
DP1、MDP1、MDP2、MDP3、FC(不覆膜漫灌)和 MF(覆膜漫灌), 裸土(BS)和覆膜裸土(MBS)为对照。研究结
果表明 : 覆膜的增温保湿作用及薄膜对土壤与大气间气体传输的自然阻隔作用使土壤 CO2 浓度升高
10.4%~94.5%, CH4浓度降低 5.1%~47.4%。滴灌的干湿交替现象以及漫灌对土壤通气性的降低使漫灌处理土壤
中 CO2浓度高于滴灌 7.4%~49.7%, CH4浓度降低 6.6%~68.2%。而土壤湿度通过影响土壤通气性和土壤溶解性
有机质两方面来影响土壤温室气体排放, 覆膜滴灌下湿润比越高, 土壤中CO2浓度越低, 其对CH4浓度的影响
不确定。土壤温度是土壤呼吸的主要驱动因子, 也会影响 CH4的氧化过程。观察 DP1 处理灌水后土壤中温室
气体浓度发现, CO2浓度与温度呈显著正相关关系, CH4浓度与温度呈显著负相关关系, 土壤中CO2浓度与CH4
浓度呈显著负相关关系。
关键词 膜下滴灌 漫灌 CO2和 CH4浓度 湿润比 土壤温湿度
中图分类号: S152.6 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)03-0330-07
Influence of drip irrigation under plastic film mulching on
concentrations of CO2 and CH4 in soil
TAO Li-Jia, WANG Feng-Xin, GU Xiao-Xiao
(Center for Agricultural Water Research in China, China Agricultural University, Beijing 100083, China)
Abstract A pot experiment was conducted in a greenhouse to compare the influences of flood (F) and drip (D) irrigations on soil
concentrations of CO2 and CH4 during potato cropping season using the static opaque chamber and gas chromatography technique.
Two agronomic measures were evaluated for each irrigation regime under mulched (M) and non-mulched conditions. Three more
treatments were set under mulched drip irrigation (MD) based on different wet ratio (P) — P1 (P=25%), P2 (P=33%) and P3
(P=50%). There were six treatments altogether, denoted as DP1, MDP1, MDP2, MDP3, FC and MF. Bare soils with (MBS) and
without (BS) plastic film mulching were set as control treatments. Results suggested that mulching treatments increased soil CO2
concentration by 10.4%~94.5% due to plastic film mulching increasing effect on temperature and moisture, and barrier effects on
natural air transmission of the soil-atmosphere system. Mulching treatments decreased soil CH4 concentration by 5.1%~47.4%. Be-
cause of dry-wet alternation under drip-irrigation and decreased soil aeration under flood irrigation, CO2 concentration was
7.4%~49.7% higher under flood irrigation and CH4 concentration 6.6%~68.2% lower under drip irrigation. Soil moisture influenced
greenhouse gas emission by altering soil aeration and soil dissolved organic matter. The higher the wet ratio under MD, the lower was
CO2 concentration. However, the effect of wet ratio on CH4 concentration was not clear. Soil temperature was the main driving factor
of soil respiration, which also regulated CH4 oxidation processes. The greenhouse gas concentration in soils after DP1 irrigation
showed a significant positive correlation between soil temperature and soil CO2 concentration. Also after DP1 irrigation, a significant
negative correlation existed between soil temperature and soil CH4 concentration while a significant negative correlation was noted
between soil CO2 and CH4 concentrations.
第 3期 陶丽佳等: 膜下滴灌对土壤 CO2与 CH4浓度的影响 331


Key words Drip irrigation with plastic film mulching, Flood irrigation, CO2 and CH4 concentration, Wet ratio, Temperature
and humidity of soil
(Received Jul. 21, 2011; accepted Oct. 28, 2011)
CO2与CH4是除水蒸气以外最重要的温室气体。
自工业革命以来, 大气中CO2浓度由 280 μmol·mol−1
增长到 379 μmol·mol−1, 并继续以每年 1.9 μmol·mol−1
的速度增长[1]; CH4浓度从 0.715 μmol·mol−1增加到
1.774 μmol·mol−1[1]。而温室气体中大约有 50%的 CH4
来自于农业活动[2]。
土壤中 CO2主要来自植物根系呼吸、土壤微生
物呼吸和土壤动物呼吸 [3]。同时, 农田土壤排放的
CO2 往往成为光合作用的原料, 因而认为农田可以
同时作为 CO2的源和汇。CO2含量会影响到土壤的
通气性, 进而影响甲烷氧化菌的活性, 因而农田土
壤的 CO2排放仍是众多学者关注的重要问题。厌氧
条件下 , 土壤有机物逐步降解为有机酸、醇、CO2
等小分子化合物 , 再在产甲烷菌的作用下转化为
CH4[3]。因此 CH4的土壤环境主要为各种类型的湿地
和水稻田。而土壤中 CH4的氧化既可以发生在非淹
水土壤, 如林地、旱地、沙漠等, 也可以发生在湿地,
如沼泽、水稻田等。前者主要氧化大气中的 CH4, 用
以降低大气中 CH4 的浓度, 后者主要氧化湿地产生
的内源 CH4, 用以减少 CH4 向大气的排放[4]。CO2
和 CH4这两种温室气体的源汇状况均受农田土壤温
度、湿度、农田气象因子、土壤有机质、土壤 pH、
土壤微生物数量及活性、人类耕作方式及化肥施用
等的影响, 且这些影响因子在不同条件下对不同温
室气体的影响效应也各不相同[4−7]。
目前国内外对于农田 CH4排放的研究大多集中
在水稻田, 而有关旱田 CO2 的研究虽然较多, 但灌
溉方式对 CO2、CH4浓度及排放影响的研究仍很少。
研究发现, 在气候、植被、土质及农田管理等条件
中, 任何一个因子的微小变化, 都会改变温室气体
的产生及排放[8]。
膜下滴灌将覆膜这种农艺节水措施与滴灌这种
最先进的现代节水灌溉技术结合起来, 从而达到更
加节水的目的而被广泛研究[9−10]。膜下滴灌会加剧
土壤温度、土壤水分的时空变化, 从而必然会对土
壤温室气体的产生与排放过程产生深刻影响。已有
研究表明, 覆膜可以显著提高土壤温度[10]、增强土
壤的持水能力, 而土壤温度又会显著影响土壤微生
物的活性 [11]; 滴灌有利于保持土壤肥力, 也会造成
土壤部分干燥和部分湿润的现象; 土壤湿润比和土
壤含水量可以控制气体向土壤孔隙的扩散[12]以及微
生物的活性, 这些都会对土壤温室气体浓度产生影
响。目前国内外有关覆膜和滴灌两因素对温室气体
产生与排放的共同作用尚少见报道。本试验通过温
室膜下滴灌盆栽马铃薯试验, 研究了覆膜与滴灌对
农田土壤 CO2与 CH4浓度的影响, 为农业节水模式
下农田温室气体的综合控制及减缓提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
盆栽试验于 2009年 11月至 2010年 5月在中国
农业大学水利与土木工程学院楼顶温室进行。盆直
径 46 cm, 高 30 cm, 试验土壤质地为沙壤土, 取自
中国农业大学上庄试验站。土壤田间持水量为 32.5%,
容重为 1.37 g·cm−3。
试验在滴灌(D)和漫灌(F)两种灌水方式下分别
设置覆膜(M)与不覆膜处理。覆膜滴灌(MD)下设 3
个不同土壤湿润比(P)处理, 分别为 P1 (P=25%)、P2
(P=33%)、P3 (P=50%), 设 1 个覆膜漫灌处理(MF),
另外设 1 个不覆膜滴灌处理(DP1), 1 个不覆膜漫灌
处理(FC), 共设 MDP1、MDP2、MDP3、MF、DP1、
FC 6 个处理。以裸土(BS)和覆膜裸土(MBS)作为对
照。除裸土外每个处理设 3 个重复。试验盆随机布
置。
1.2 农艺措施
供试马铃薯品种为“白菊花”。将土壤风干碾碎
并过筛, 总装土量按原状土干容重乘以设计盆容量
确定, 分 5层装入盆中, 每次装土量相等, 将每层土
捣实至预先计算得到的厚度后 , 将土壤表面划毛 ,
继续下一次装填, 装土后均距盆沿预留 2 cm高度。
覆膜处理用 0.000 7 mm厚聚乙烯透明塑料薄膜沿表
土覆盖全盆。2009 年 11 月 23 日播种, 于盆中心放
马铃薯种, 种植深度为 10 cm, 12月 24日开始出苗,
每盆留苗 1株, 于 2010年 3月 25日、4月 8日均施
纯氮 140 kg·hm−2、纯钾 161 kg·hm−2, 5月 9日收获。
1.3 灌水方法
从每个处理的 3个重复中随机挑选 2个在 15 cm
土壤深处埋设负压计(型号: WST-2B, 北京奥特斯达公
司), 用来指示土壤水分变化。负压计埋设于盆半径中
点, 与滴灌点的水平距离一致。当滴灌和漫灌处理的
土壤水势分别达到−25 kPa和−35 kPa时开始灌水[13]。
灌水从 3月 10日开始。灌水定额计算公式为:
1 000 ( )M H Pθ θ= −后 前 (1)
式中: M为灌水定额(mm); H为土壤计划湿润层深度,
332 中国生态农业学报 2012 第 20卷


取 0.2 m; θ 后为计划湿润层的设计灌后平均含水率
(田间持水率); θ前为计划湿润层灌水前实测平均含水
率, 即滴灌下为−25 kPa 时土壤质量含水率(实测值
为 0.161), 漫灌下为−35 kPa 时土壤质量含水率(实
测值为 0.140); P为计划湿润比, P1、P2、P3分别取
25%、33%、50%。
根据公式(1), 滴灌处理 DP1与MDP1每次灌水
5.22 mm, MDP2、MDP3处理每次分别灌水 6.89 mm、
10.44 mm, 每盆在马铃薯上放置两个滴箭, 用滴箭
实现灌溉过程; 漫灌处理 FC 与 MF 每次灌水 26.64
mm, 用量筒量取直接倒入盆中。
试验期间两次对裸土和覆膜裸土采用喷壶洒水
的方式进行模拟降雨, 每次洒水量为 30 mm, 并在
灌水前后取气测 CO2和 CH4浓度。两次灌水时间分
别为 4月 26日和 5月 5日, 都为雨天且无太阳光照
射, 温度分别为 24 ℃和 25 , ℃ 可视为具有一致的
温度条件。
1.4 观测方法
气体取样方法: 各处理选取一次灌水前后进行
气体取样, DP1、MDP1、MDP2、MDP3、FC和 MF
处理取样时间分别为 4 月 17 日、18 日、21 日、21
日、23日与 26日。把高 15 cm、直径 2 cm的集气
管埋入 10 cm 深土层处, 并与负压计处于同一直径
上, 且距离为 1个半径, 即 23 cm。取样时用注射器
推排采气管内气体, 以充分搅匀, 抽取 50 mL 气体
入气袋。圆筒外部用细纱网包裹, 再用泥土密闭固定,
以防漏气, 上方连有带三通阀的采气管。灌前采气时
间确定在 10:00, 灌后采气时间为灌水结束后 2 h。气
体样品及时送回实验室分析。
气体分析方法: 采用岛津 GC-2014 气相色谱仪
分析。含碳温室气体的检测器为 FID(氢焰离子化检
测器), 柱内填充料为 TDX-01, 柱箱温度 50 , ℃ 检测
器温度 250 , ℃ 进样口温度 100 ℃。载气为高纯 N2,
流速为 30 mL·min−1, H2为燃气, 流速为 40 mL·min−1,
空气为助燃气, 流速为 40 mL·min−1。标准气体由北
京天佑顺气体有限公司提供, 是 CO2、CH4、N2O的
混合气, N2为平衡气, 其中 CH4与 CO2的组分分别为
4.7 μmol·mol−1和 0.35%。每次测量前重复测标气多次,
以达到 ±5%的精度要求 , 即要求测得的 CH4 为
4.465~4.935 μmol·mol−1, CO2为 3 325~3 675 μmol·mol−1。
马铃薯生长期间从 4 月中旬开始每隔 5 d 测 1
次株高, 收获后测马铃薯产量。气体取样的同时用
地温计测量 10 cm土层深处的地温。
数据处理与分析应用 Excel软件和 SPSS 13.0软
件完成。
2 结果与分析
2.1 CO2浓度变化
2.1.1 不同试验处理土壤中 CO2浓度的变化
不同试验处理灌水前后土壤中 CO2浓度见表 1。
由表 1 可知, 灌水前 MDP1 处理的土壤 CO2浓度比
DP1 处理高 40.0%, MF 处理的 CO2浓度比 FC处理
高 94.5%; 而灌水后滴灌与漫灌条件下覆膜处理比
不覆膜处理分别高 60.0%与 10.4%。可见, 覆膜会使
土壤中 CO2浓度提高。分析其原因, 首先, 覆膜增强
了土壤持水能力, 覆膜土壤湿度高于不覆膜土壤[14],
湿度较高则微生物数量较多、活性较强[15]; 其次, 覆
膜使土壤温度升高 , 从而使土壤微生物活性增强 ,
加快了土壤有机物的氧化分解 [16]; 再次, 薄膜阻挡
了土壤中 CO2 向大气中正常扩散, 从而减少了土壤
CO2的排放。
FC 处理灌水前后土壤中 CO2浓度分别比 DP1
处理高 7.4%和 42.7%, MF处理灌水前后的 CO2浓度
分别比 MDP1 处理高 49.7%和低 1.6%, 表明无论覆
膜与否, 灌前漫灌处理的土壤 CO2浓度都大于滴灌;
灌后 FC 处理远大于 DP1, 而 MF略小于 MDP1, 可
能由试验误差造成暂且忽略, 即可以认为漫灌处理
的土壤 CO2浓度都大于滴灌。这可能与滴灌必然会
造成的土壤部分湿润、部分干燥的干湿交替现象有
关: 随干湿交替次数增加, 土壤中微生物代谢底物
的减少[17]会降低土壤的呼吸作用[18]。同时, 与滴灌
相比 , 漫灌处理一次灌水量大 , 并且快速淹水 , 造
成土壤板结, 土壤通气性降低 [19], 即土壤呼吸产生
的CO2难以扩散出去, 造成漫灌处理的CO2浓度大。

表 1 试验各处理灌水前后 CO2浓度的变化
Table 1 Concentration of CO2 in soil before and after irrigation under different treatments μmol·mol−1
取样时间 Sampling time DP1 MDP1 MDP2 MDP3 FC MF
灌水前 Before irrigation 1 057.37 NS1) 1 476.04 1 166.10 1 084.87 1 135.65 2 209.03
灌水后 After irrigation 972.24 NS 1 555.83 1 357.19 1 108.67 1 387.18 1 531.06
DP1: 滴灌, 土壤湿润比为 25%; MDP1: 覆膜滴灌, 土壤湿润比为 25%; MDP2: 覆膜滴灌, 土壤湿润比为 33%; MDP3: 覆膜滴灌, 土壤
湿润比为 50%; FC: 不覆膜漫灌; MF: 覆膜漫灌。下同。1) NS 表示经 F检验(P≥0.05)处理间差异不显著。DP1: drip irrigation with wet ration of
25%; MDP1: plastic film mulching and drip irrigation with wet ratio of 25%; MDP2: plastic film mulching and drip irrigation with wet ratio of 33%;
MDP3: plastic film mulching and drip irrigation with wet ratio of 50%; FC: flood irrigation; MF: flood irrigation with plastic film mulching. The same
below. NS denotes no significant difference among the treatments according to F test (P≥0.05).

第 3期 陶丽佳等: 膜下滴灌对土壤 CO2与 CH4浓度的影响 333


但本试验中漫灌处理与滴灌处理土壤中 CO2浓
度差异并不显著, 这与 Kallenbach 等[20]试验发现的
灌溉方式对 CO2排放没有影响的结论一致。然而也
有学者认为, 滴灌的干湿交替会限制可获得的土壤
有机质库, 而使土壤的湿润脉冲减少, 其累积的 C、
N 矿化量也比最佳湿度土壤的小[21], 即会导致滴灌
处理的 CO2浓度更小。Borken等[22]的试验证实了土
壤干湿交替对土壤 CO2通量会有显著影响。
在膜下滴灌不同土壤湿润比处理的比较中发现,
灌水前后均为土壤中 CO2浓度随湿润比的增大而降
低。灌水前处理 MDP1 比 MDP2、MDP2 比 MDP3
分别高 26.6%和 7.5%, 灌水后分别高 14.6%和
22.4%。土壤水分状况对 CO2产生与排放的影响机制
主要体现在土壤通气性和土壤溶解性有机质的变化
两个方面: 当土壤湿度过高时, 土壤通气性变差, O2
的扩散受到限制, 土壤处于厌氧条件, 植物根系和
土壤微生物活动都会受到抑制; 而当土壤湿度过低
时, 可溶性有机碳的扩散会受到限制, 土壤微生物
的活动受抑制, 也会使得土壤呼吸量大幅下降[23]。
毕建杰等[24]也认为: 土壤呼吸的最佳土壤水分范围
是土壤中大孔隙被空气充填便于 CO2 的扩散, 小孔
隙充满水便于溶质运移, 而土壤过湿或过干时, CO2
的产生过程都会受到抑制。还有学者认为, 处于干
旱半干旱地区的土壤, 绝大多数时间土壤孔隙含水
率(WFPS)低于 40%, 当高于 47%土壤微生物的活性
不但不进一步增加, 反而有下降的趋势[25]。本试验
这一发现与其相似。
2.1.2 裸土土壤中 CO2浓度的变化
在天气条件类似的两日做两次模拟降雨, 降雨前
后裸土与覆膜裸土的 CO2浓度见图 1。降雨前覆膜裸
土土壤 CO2浓度显著高于裸土, 4月 26日大 2.86倍, 5
月 5日大 3.11倍, 这与种植作物的处理结果较为一致,
即覆膜处理的土壤 CO2浓度大于不覆膜处理。



图 1 两次降雨前后(4月 26日、5月 5日)裸土(BS)和
覆膜裸土(MBS)土壤 CO2浓度变化
Fig. 1 Concentration of CO2 in bare soil (BS) and bare soil
with plastic film mulching (MBS) before and after irrigation on
April 26 and May 5
对比不覆膜处理, 裸土的 CO2浓度与 DP1、FC
处理很接近。而对比覆膜处理, 覆膜裸土的 CO2 浓
度远远大于其他覆膜处理。这可能是因为种植马铃
薯的处理有一定的郁闭度, 相较于裸地其地温会降
低很多, 而温度高则土壤微生物的活性更强, 即裸
土产生和排放的 CO2更多。这与其他学者的研究有
所不同[26−27]。有研究表明, 农田耕作破坏了土壤的
团聚体结构, 使土壤中的有机物质充分暴露在空气
中, 失去保护作用而加速分解, 微生物呼吸作用增
强, 促进了有机物的矿化[28]。也有研究表明耕地CO2
的主要来源是土壤微生物对有机质的分解、植物根
系呼吸, 要大于裸地单一的由微生物分解的 CO2 来
源。因此在这方面还有待进一步研究。
2.2 CH4浓度变化
2.2.1 不同试验处理土壤中 CH4浓度的变化
试验不同处理灌水前及灌水后土壤中 CH4浓度
见表 2。灌水前 DP1 处理的土壤 CH4浓度比 MDP1
处理高 13.6%, FC 处理的 CH4 浓度比 MF 处理高
41.9%; 而灌水后滴灌与漫灌条件下不覆膜处理比
覆膜处理分别高 5.1%和 47.4%。ANOVA 检验结果
表明, 覆膜对滴灌处理无显著影响, 对漫灌处理有
极显著影响。可见, 覆膜会使土壤中 CH4浓度降低。
分析其原因, 覆膜使土壤温度上升, 温度会影响土
壤微生物菌群的数量、结构和活性, 包括 CH4 产生
和氧化过程中的微生物 [29], 而在一定温度范围内 ,
CH4 的产生与氧化过程有不同的温度敏感性[30], 即
CH4的氧化速率高于产生速率[31]。这与 Wu等[7]在内
蒙古锡林河流域对于 CH4通量在升温条件下变化的
试验结果一致。
DP1 处理灌水前后土壤中 CH4浓度分别比 FC
处理高 6.6%和 19.9%, MDP1 处理灌水前后的 CH4
浓度分别比 MF处理高 33.0%和 68.2%, 表明无论覆
膜与否, 滴灌处理的土壤 CH4 浓度都大于漫灌。这
可以用滴灌造成的干湿交替现象来解释: 随干湿交
替次数增加, 土壤脱氢酶活性下降 [32], 而脱氢酶在
CH4 氧化过程中十分重要[4], 因此消耗 CH4 的数量
减少, 则滴灌条件下 CH4浓度大于漫灌。
MDP2处理土壤中 CH4浓度高于 MDP1、MDP3
处理。土壤中 CH4浓度与湿润比间无明显的规律变
化。这可以从两方面来看, 与干燥土壤相比, 微生物
群体在湿润土壤中的新陈代谢作用更强, 即活性更
强。有研究认为, 在有氧干土中, 甲烷氧化菌的活性
随水分增加而提高; 在水分超过田间持水量后, 水
分含量的提高将导致甲烷氧化菌的活性下降[33], 甲
烷氧化菌活性的变化又将直接导致土壤中 CH4消耗
量的变化。
334 中国生态农业学报 2012 第 20卷


表 2 试验各处理灌水前后 CH4浓度的变化
Table 2 Concentration of CH4 in soil before and after irrigation under different treatments μmol·mol−1
取样时间 Sampling time DP1 MDP1 MDP2 MDP3 FC MF
灌水前 Before irrigation 3.25abAB 2.86bBC 3.70aA 3.60cCD 3.05bAB 2.15cC
灌水后 After irrigation 3.73bB 3.55bBC 4.51aA 3.26aAB 3.11cD 2.11dE
不同大、小写字母表示差异极显著(P<0.01)和显著(P<0.05) Values followed by different capital and small letters are significantly different at
0.01 and 0.05 levels.

同时, 由于甲烷氧化菌氧化 CH4 的能力一般大
于 CH4 由大气向土壤扩散的能力, 因此微生物分解
CH4主要受 CH4的扩散率控制, 又由于 CH4在气相中
的扩散速率是液相中的 1万倍, 故土壤湿度又会影响
大气中的 CH4扩散到土壤中[34], 导致 CH4氧化率与
土壤湿度呈负相关[35], 影响土壤对 CH4的吸收量。两
者作用的强弱还不明确, 需要进一步研究分析。
2.2.2 裸土土壤中 CH4浓度的变化
由图 2 可知, 每次降雨前覆膜裸土与裸土的 CH4
浓度基本相等, 裸土略高于覆膜裸土, 与种植作物
的处理结果一致。而两次降雨前土壤 CH4浓度相差
较大, 可能是由于降雨前各处理的水分等其他条件
上的差异所致。在裸土与种植作物处理的比较中并
没有发现明显的规律。



图 2 两次降雨前后(4月 26日、5月 5日)裸土(BS)和覆
膜裸土(MBS)土壤 CH4浓度变化
Fig. 2 Concentration of CH4 in bare soil (BS) and bare soil
with plastic film mulching (MBS) before and after irrigation on
April 26 and May 5

2.3 温度和湿度对灌溉前后温室气体浓度的响应
DP1 处理湿润比最小, 无膜蒸发快, 灌水次数
最多。以 DP1处理灌水后达到灌水下限的 4 d为例,
分析土壤中 CO2及 CH4浓度的变化(图 3)。由图 3a
可以看出, 除 4月 29日灌水前土壤中 CO2浓度偏小
外, 其总体的上升趋势与取样时土壤温度较为一致,
也可以说土壤中 CO2浓度随土壤温度增加而增加。
由表 2也可得出, DP1处理灌水后土壤中 CO2浓度与
温度呈显著正相关关系。很多研究表明, 土壤温度
是土壤呼吸的主要驱动因子 [20,36], 土壤温度通过影
响植物生长率、土壤微生物活性、有机物分解等从
而影响土壤呼吸。
从图 3b可以看出, 灌水后 4 d内土壤中 CH4浓
度总体呈下降趋势, 与土壤温度正好相反。由表 3
也可看出, 灌水前后 CH4 浓度与灌水前后温度均呈
显著负相关关系。这主要是因为温度会影响土壤微
生物菌群的数量、结构和活性[29], 特别是 CH4的氧
化过程, 温度高时被氧化消耗的 CH4 多。很多学者
的看法也都与此类似, CH4 的氧化量与温度显著正
相关[7]。
而土壤湿度对灌溉前后温室气体浓度的作用主
要体现在土壤通气性、土壤溶解性有机质、土壤微
生物活性以及土壤温室气体的扩散速率上。土壤湿
度过高, 土壤通气性变差, O2扩散受限制; 土壤湿度
过低, 可溶性有机碳的扩散受限制, 则土壤湿度过高
或过低都会导致土壤微生物活动受到抑制, 土壤呼
吸量大幅下降。同时, 湿土既可以提高 CH4的氧化速
率, 又可能会影响 CH4 向土壤的扩散从而减缓其氧
化过程。因此土壤湿度对土壤不同生态性状都会造成
影响, 而又由于其交互作用还不明确, 所以湿度不同
没有对土壤中温室气体的浓度造成显著差异。
由表 3 还可看出, 灌水后土壤中 CO2 浓度与
CH4 浓度呈显著负相关关系, 这与秦小光等[37]在草



图 3 DP1处理土壤中 CO2和 CH4的浓度及采气时的土壤温度
Fig. 3 Concentrations of CO2 and CH4 in soil before and after irrigation and soil temperature when sampling under DP1 treatment
第 3期 陶丽佳等: 膜下滴灌对土壤 CO2与 CH4浓度的影响 335


表 3 DP1处理温室气体浓度与温度的相关性分析
Table 3 Correlation of concentrations of greenhouse gases before and after irrigation with soil temperature under DP1 treatment
CO2浓度 CO2 concentration CH4浓度 CH4 concentration 温度 Temperature
灌水前
Before irrigation
灌水后
After irrigation
灌水前
Before irrigation
灌水后
After irrigation
灌水前
Before irrigation
灌水后
After irrigation
灌水前 Before irrigation — 0.210 0.477 0.416 −0.180 −0.551 CO2
灌水后 After irrigation — — −0.525 −0.651* 0.680* 0.613*
灌水前 Before irrigation — — — 0.904** −0.803** −0.786** CH4
灌水后 After irrigation — — — — −0.827** −0.798**
灌水前 Before irrigation — — — — — 0.805** 温度
Temperature 灌水后 After irrigation — — — — — —
*表示在 P=0.05水平上显著相关, **表示在 P=0.01水平上极显著相关。* denotes significant relativity at P=0.05 level, ** denotes significant
relativity at P=0.01 level.

地、林地的发现类似, 他认为这种关系显示出土壤
吸收 CH4的过程有可能与土壤微生物对土壤有机质
的分解作用有关。姚守平等[38]认为, 土壤 CH4由 CH4
氧化菌通过高亲和能力氧化时 , 最终会产生 CO2,
因此可能会造成土壤中 CO2浓度与 CH4浓度的负相
关关系。
3 结论
3.1 结论
覆膜通过增加土壤湿度、温度从而增加了土壤
微生物的数量及活性, 同时塑料薄膜阻挡了土壤与
大气的气体传输, 因此覆膜导致土壤 CO2 浓度升高
10.4%~94.5%, CH4浓度降低 5.1%~47.4%。
滴灌的干湿交替现象可减少土壤中微生物代谢
底物, 漫灌降低了土壤通气性, 使漫灌土壤中 CO2
浓度高于滴灌 7.4%~49.7%; 而滴灌的干湿交替又会
降低甲烷氧化菌的活性, 使滴灌土壤中的 CH4 浓度
高于漫灌处理的 6.6%~68.2%。
而土壤水分状况对 CO2的产生与排放的影响机
制主要体现在土壤通气性和土壤溶解性有机质的变
化两个方面, 土壤过湿或过干都会抑制土壤微生物
活动; 而土壤湿度对 CH4 浓度的影响也同样有这两
种可能。因此, 膜下滴灌下土壤湿润比越高, 土壤中
CO2浓度越低; 而其对 CH4浓度的影响不确定。
土壤温度是土壤呼吸的主要驱动因子, 也会通
过影响土壤微生物活性来影响 CH4 的氧化过程, 温
度高时 CH4消耗多。灌水后土壤中 CO2浓度与温度
呈显著正相关关系。灌水前后 CH4浓度与灌水前后
温度均呈显著负相关关系, 灌水后 CO2浓度与 CH4
浓度呈显著负相关关系。由于种植马铃薯的处理有
一定郁闭度, 相较于裸地其地温较低, 因此覆膜条
件下裸地 CO2 浓度高于其他处理, 这与其他研究结
果不同。
3.2 不足与建议
本试验较好地实现了在节水农业下研究农田土
壤中 CO2与 CH4浓度变化的目的, 但仍然存在一定
的局限性: 试验采用温室盆栽种植, 避免了大田试
验中气候因素不可控以及试验土壤存在地理差异性
的缺点, 但也造成了盆栽土壤体积小, 限制马铃薯
生长的问题; 试验缺乏对马铃薯生长前期土壤中温
室气体浓度的观测, 难以提出全生育期温室气体排
放最少的节水灌溉方式。
为更好地了解膜下滴灌对温室气体浓度的影响,
以及为农业节水模式下实现温室气体的综合控制和
减缓提供技术支持, 建议继续完成大田试验, 监控
整个生育期内土壤中 CO2与 CH4浓度的变化, 比较
不同季节、不同时间点、不同灌水周期内土壤中 CO2
与 CH4 浓度的差异, 在综合分析下探求水热耦合条
件下的土壤温室气体浓度; 并在观测期内对各可能
影响因子进行取样分析, 通过对田间影响因素的观
测 , 完善基础数据积累 , 得到相应的规律性结果 ,
反映温室气体浓度变化的本质, 逐渐建立评价体系
与制定减排标准。
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